韋曉強(qiáng)

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)分公司，天津300457）

0 前言

我國(guó)海域遼闊，大陸架面積約130萬(wàn)km2。1979年海上石油開(kāi)發(fā)實(shí)行對(duì)外開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的海上石油開(kāi)發(fā)進(jìn)入高速發(fā)展期。目前，海洋已成為我國(guó)重要的原油生產(chǎn)基地［1］。

渤海油田作為我國(guó)第一個(gè)開(kāi)發(fā)的海上油田，部分老油田的產(chǎn)量明顯下降，天然氣產(chǎn)能不足。隨著開(kāi)發(fā)概念和開(kāi)發(fā)思路的轉(zhuǎn)變，天然氣管網(wǎng)和原油管網(wǎng)更新了規(guī)劃和實(shí)施［2］。作為渤海油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO），目前已有兩艘處于擱置檢驗(yàn)狀態(tài)。兩艘浮式裝置為5萬(wàn)噸級(jí)FPSO，按滿(mǎn)足渤海海域作業(yè)設(shè)計(jì)，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為塔架軟剛臂（YOKE）形式。

為了充分利用現(xiàn)有閑置資源，實(shí)現(xiàn)FPSO的重新啟用，擬將其中1艘FPSO“明珠號(hào)”，調(diào)遣到北部灣潿洲海域某油田進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)（見(jiàn)圖1）。

圖1 “明珠號(hào)”FPSO

經(jīng)論證，“明珠號(hào)”船體部分可以滿(mǎn)足在南海北部灣潿洲海域作業(yè)時(shí)的規(guī)范［3］等要求，但原單點(diǎn)系泊系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足“明珠號(hào)”在南海北部灣潿洲海域作業(yè)時(shí)的需求。因此對(duì)“明珠號(hào)”改用外轉(zhuǎn)塔形式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在北部灣潿洲海域作業(yè)時(shí)的適用性做分析論證。

分析計(jì)算主要流程：建立不同裝載工況下的水動(dòng)力面單元模型，進(jìn)行水動(dòng)力分析→建立系泊錨鏈模型→船體環(huán)境力計(jì)算→篩選危險(xiǎn)工況組合→三維全耦合分析→FPSO最大偏移量計(jì)算→立管系統(tǒng)分析→船體結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析。

1 “明珠號(hào)”概況

“明珠號(hào)”具有鋼質(zhì)的船型船體，船體內(nèi)配備有齊全的保船設(shè)備。油、氣、水處理設(shè)備、發(fā)電設(shè)備和惰性氣體發(fā)生裝置等均布置在生產(chǎn)甲板上。船體首部為生活樓與單點(diǎn)，生活樓頂部設(shè)有直升飛機(jī)平臺(tái)。主要參數(shù)：

表1 “明珠號(hào)”船體主要參數(shù)

2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)選型

2.1 基礎(chǔ)條件

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)按滿(mǎn)足南海潿洲海域100年一遇環(huán)境條件設(shè)計(jì)、平均水深50 m、設(shè)計(jì)壽命是15 a。

2.2 單點(diǎn)選型

在滿(mǎn)足潿洲海域環(huán)境條件要求下，充分考慮單點(diǎn)系泊系統(tǒng)與“明珠號(hào)”船體的匹配。經(jīng)咨詢(xún)SBM、APL、Bluewater、Sofec等世界主流單點(diǎn)系統(tǒng)廠(chǎng)家，外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)型式是所有廠(chǎng)家均推薦的單點(diǎn)型式，在相似海域有較多的工程應(yīng)用。工程實(shí)例如表2。

表2 外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)工程實(shí)例

因此，“明珠號(hào)”在南海北部灣潿洲海域作業(yè)時(shí)的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)推薦選用外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)型式。

3 外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)包括外轉(zhuǎn)塔、系泊和軟管/電纜等部分。FPSO采用9根錨鏈系泊，軟管和電纜上端點(diǎn)位于單點(diǎn)立管甲板，下端點(diǎn)與PLEM連接。單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔與船體之間通過(guò)主軸承連接，且船體可以繞主軸承旋轉(zhuǎn)。

3.1 環(huán)境條件

單點(diǎn)系統(tǒng)按照潿洲海域100年一遇環(huán)境設(shè)計(jì)條件，風(fēng)、浪和流的方向按照規(guī)范組合如下：

1）風(fēng)、浪和流同向；

2）風(fēng)和流同向，且與浪夾角30°；

3）風(fēng)與浪夾角 30°，且流與浪夾角 90°。

采用數(shù)值模擬方法，計(jì)算分析不同環(huán)境條件方向組合及不同船體裝載工況下的系泊力和船體運(yùn)動(dòng)。環(huán)境條件見(jiàn)表3。

3.2 基本準(zhǔn)則

外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)研究通常需要校核系泊設(shè)計(jì)、軟管/電纜設(shè)計(jì)以及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。FPSO滿(mǎn)載和壓載工況下，系泊、軟管/電纜和船體結(jié)構(gòu)均需滿(mǎn)足100年一遇環(huán)境設(shè)計(jì)要求。

表3 環(huán)境條件

3.3 外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)

外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)位于FPSO船首，包括旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分，其中旋轉(zhuǎn)部分包括FPSO船體和懸臂梁；非旋轉(zhuǎn)部分包括轉(zhuǎn)塔、系泊系統(tǒng)。FPSO繞轉(zhuǎn)塔主軸承旋轉(zhuǎn)。其總體形式見(jiàn)圖2，系統(tǒng)總體布置見(jiàn)圖3。

圖2 外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)示意圖

圖3 外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)總體布置

轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)塔柱體、立管甲板、清管甲板、滑環(huán)堆棧、主軸承、系泊錨鏈、軟管/電纜及其他輔助設(shè)備，總體布置見(jiàn)圖4。船體和滑環(huán)可繞轉(zhuǎn)塔自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 轉(zhuǎn)塔總體布置

系泊系統(tǒng)由9根錨鏈組成，可為FPSO提供安全、可靠的永久系泊。錨鏈采用無(wú)擋錨鏈形式，錨鏈底部與樁錨鏈接，設(shè)計(jì)壽命15 a。

軟管/電纜系統(tǒng)包括1根生產(chǎn)立管、1根注水立管和1根電纜。

主軸承將系泊、軟管和電纜荷載傳遞到轉(zhuǎn)塔和船體結(jié)構(gòu)。

3.4 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照API 2SK規(guī)范［3］設(shè)計(jì)，安全系數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全系數(shù)

3.4.2 系泊系統(tǒng)布置

系泊系統(tǒng)由9根錨鏈組成，成3×3布置形式，平面布置見(jiàn)圖5。

圖5 系泊系統(tǒng)平面布置

每3根錨鏈構(gòu)成1組，且組內(nèi)錨鏈夾角是5°。每一組錨鏈之間的夾角是110°，系泊半徑約900 m，錨鏈的組成見(jiàn)表5。

表5 錨鏈組成

3.4.3 分析計(jì)算結(jié)果

計(jì)算分析了100年一遇條件下，完整工況和破斷工況下的錨鏈張力和FPSO位移。計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6 完整工況系泊分析結(jié)果

表7 破斷工況系泊分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范［3］要求。

3.4.4 立管形式

立管系統(tǒng)包括1根8英寸（1英寸=25.4 mm）生產(chǎn)柔性軟管、1根6英寸注水柔性軟管和1根4英寸電纜。根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算分析結(jié)果，F(xiàn)PSO波頻運(yùn)動(dòng)較大且由于水深較淺、流速較大，使用陡波形立管形式，分析結(jié)果見(jiàn)表8，海管海纜布置見(jiàn)圖6。

表8 立管系統(tǒng)分析結(jié)果

圖6 海管海纜布置圖

3.5 懸臂梁結(jié)構(gòu)

懸臂梁從首樓甲板開(kāi)始，貫穿主甲板、底甲板至B甲板。懸臂梁頂部與首樓甲板相連，底部與B甲板相連，見(jiàn)圖7。

3.5.1 懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸臂梁主要承受由船體運(yùn)動(dòng)和錨鏈引起的水平力和豎向力，見(jiàn)圖8。由于FPSO可繞單點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，不考慮橫向力對(duì)懸臂梁的影響。

懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用ANSYS軟件計(jì)算分析，其模型見(jiàn)圖9。

圖7 懸臂梁側(cè)視圖

圖8 懸臂梁主要荷載

圖9 懸臂梁結(jié)構(gòu)有限元模型

懸臂梁根部采用固定約束見(jiàn)圖10。

圖10 懸臂梁根部約束

計(jì)算分析僅考慮了最危險(xiǎn)的工況，各荷載力的方向見(jiàn)圖11。

圖11 計(jì)算模型荷載

懸臂梁采用Q235鋼材，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，懸臂梁整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力低于許可應(yīng)力。懸臂梁應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖12。

圖12 懸臂梁應(yīng)力分布圖

3.6 船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)計(jì)算分析

船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造設(shè)計(jì)采用ANSYS軟件計(jì)算分析。計(jì)算分析中，懸臂梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，轉(zhuǎn)塔和上部龍門(mén)結(jié)構(gòu)用質(zhì)量點(diǎn)模擬，有限元模型見(jiàn)圖13。

船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)荷載主要包括轉(zhuǎn)塔重量、靜水壓力、系泊力和慣性力。懸臂梁自重按照密度由軟件計(jì)算得到。

船體濕表面施加靜水壓力，見(jiàn)圖14。FPSO設(shè)計(jì)吃水是11.7 m，在平均海平面處，靜水壓力為0，在船底位置靜水壓力為0.1176 N/mm2。

圖13 船體與懸臂梁結(jié)構(gòu)有限元模型

系泊力采用100年一遇最大系泊載荷，水平力、豎向力和彎矩計(jì)算值見(jiàn)表9。慣性力僅考慮FPSO縱蕩和垂蕩方向加速度，設(shè)計(jì)取值見(jiàn)表10。

表9 最大系泊載荷

圖14 濕表面靜水壓力（吃水11.7 m）

表10 最大運(yùn)動(dòng)加速度

船體結(jié)構(gòu)采用Q235鋼材，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，除了局部熱點(diǎn)，船體結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度低于許可應(yīng)力。應(yīng)力結(jié)構(gòu)云圖見(jiàn)圖15。

圖15 應(yīng)力結(jié)構(gòu)云圖

4 結(jié)語(yǔ)

1）“明珠號(hào)”跨海域作業(yè)外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的適用性分析表明，對(duì)長(zhǎng)期服役于溫和海況條件下的FPSO，在船體部分滿(mǎn)足惡劣海況海域作業(yè)要求的前提下，在一定水深范圍內(nèi)通過(guò)改變其單點(diǎn)系泊形式可以實(shí)現(xiàn)跨海域作業(yè)，能極大提高FPSO（尤其是閑置FPSO）的作業(yè)能力和運(yùn)營(yíng)率。

2） 因不同油田原油物性存在差別，本文未對(duì)FPSO的工藝處理系統(tǒng)進(jìn)行分析。項(xiàng)目研究前期建議需對(duì)FPSO的原工藝處理系統(tǒng)作出分析評(píng)估。

3）“明珠號(hào)”屬于高齡FPSO。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)改造投資在整個(gè)FPSO改建中占比較大。建議類(lèi)似項(xiàng)目在設(shè)計(jì)初期應(yīng)結(jié)合油田的實(shí)際經(jīng)濟(jì)年限確定出單點(diǎn)系泊系統(tǒng)科學(xué)合理的壽命期，達(dá)到節(jié)省投資的目的。

4）目前設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率不斷提高，現(xiàn)役FPSO的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)改造可采用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，打破國(guó)外壟斷，降低FPSO改建投資，以期發(fā)揮低油價(jià)下閑置FPSO在"全海式"開(kāi)發(fā)中、小油田中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。